畜牧兽医学报  2018, Vol. 49 Issue (1): 92-101. DOI: 10.11843/j.issn.0366-6964.2018.01.011    PDF    
引用本文
字向东, 刘霜, 夏威, 熊显荣, 黄林, 张正帆, 李志雄, 李键, 钟金城, 王利, 朱江江. 犏牛体外受精胚胎的发育转录组分析[J]. 畜牧兽医学报, 2018, 49(1): 92-101.  
ZI Xiang-dong, LIU Shuang, XIA Wei, XIONG Xian-rong, HUANG Lin, ZHANG Zheng-fan, LI Zhi-xiong, LI Jian, ZHONG Jin-cheng, WANG Li, ZHU Jiang-jiang. Transcriptome Analysis during Development of Hybrid in vitro-derived Yak Embryos[J]. Acta Veterinaria et Zootechnica Sinica, 2018, 49(1): 92-101.  
犏牛体外受精胚胎的发育转录组分析
字向东1, 刘霜1, 夏威1, 熊显荣1, 黄林1, 张正帆1, 李志雄1, 李键1, 钟金城2, 王利1, 朱江江2     
1. 西南民族大学生命科学与技术学院, 成都 610041;
2. 西南民族大学青藏高原研究院, 成都 610041
收稿日期：2017-06-27
基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金项目（2015NZYTD02）
作者简介：字向东(1963-), 男, 白族, 云南云龙人, 研究员, 主要从事动物繁殖学研究, E-mail:zixd2000@sina.com
摘要：本研究旨在探讨犏牛早期胚胎发育调控机制，为提高犏牛胚胎体外生产效率提供理论基础。以娟珊牛精子体外受精（IVF）牦牛卵母细胞获得的2-、4-、8-细胞、桑椹胚和囊胚5个阶段的杂种胚胎分别提取总RNA，采用Smart-Seq2扩增、构建测序文库，应用RNA-Seq技术进行高通量测序分析。对HiSeqTM2500测序所得的Raw Reads进行数据过滤后，得到5个发育阶段的犏牛早期胚胎的Clean Reads为47 791 850~63 332 216条，有80.00%~91.13%比对上参考基因的序列。4-细胞期表达的基因数最多（15 400），而桑椹胚表达的基因数最少（9 604）。以|log2 ratio|≥ 1，Q-value < 0.05为阈值，获得2-~4-细胞、4-~8-细胞、8-细胞~桑椹胚及桑椹胚~囊胚4个发育阶段的差异表达基因（DEGs）分别为3 690、6 332、8 965和10 298个。GO分析表明，4个发育阶段的DEGs归类注释都涉及生物过程（BP）、细胞组分（CC）和分子功能（MF）3大类67个二级条目。KEGG分析表明，牦牛早期胚胎发育过程中DEGs富集的主要通路有剪接体（Spliceosome）、神经活性配体-受体互作（Neuroactive ligand-receptor interaction）、细胞因子及其受体相互作用（Cytokine-cytokine receptor interactions）、泛素介导的蛋白水解（Ubiquitin mediated proteolysis）、RNA转运（RNA transport）等通路。本研究利用RNA-Seq技术对犏牛体外受精胚胎在发育不同阶段转录组进行了分析，获得了众多差异基因和有关通路的富集，为完善犏牛胚胎体外生产技术提供了理论基础。
关键词：犏牛    体外受精    胚胎    转录组    RNA-Seq    
Transcriptome Analysis during Development of Hybrid in vitro-derived Yak Embryos
ZI Xiang-dong1, LIU Shuang1, XIA Wei1, XIONG Xian-rong1, HUANG Lin1, ZHANG Zheng-fan1, LI Zhi-xiong1, LI Jian1, ZHONG Jin-cheng2, WANG Li1, ZHU Jiang-jiang2     
1. College of Life Science and Technology, Southwest Minzu University, Chengdu 610041, China;
2. Institute of Qinghai-Tibetan Plateau, Southwest Minzu University, Chengdu 610041, China
Abstract: The objective of this study was to investigate the regulatory mechanism of the early development of hybrid embryos of the yak (Bos grunniens) in order to provide theoretical basis for improving efficiency of in vitro production (IVP). Total RNA were extracted from embryos that derived from yak oocytes in vitro fertilized with Jersey cattle at 5 stages of 2-cell, 4-cell, 8-cell, morula and blastocyst and then amplified via the Smart-Seq2 method to construct RNA libraries and sequenced using RNA-seq. A total of 47 791 850-63 332 216 Clean Reads for each in vitro stage after filtering the Raw Reads of HiSeqTM2500 sequence were obtained, of which, 80.00% to 91.13% Reads were covered in the reference genome. Number of expressed genes were greatest at 4-cell stage (15 400) and lowest at blastocyst stage (9 604). When|log2 ratio| ≥ 1 and Q-value < 0.05 were set as thresholds for identifying differentially expressed genes (DEGs), a total of 3 690, 6 332, 8 965 and 10 298 DEGs were identified for 2-cell-4 cell, 4-cell-8-cell, 8-cell-morula and morula-blastocyst, respectively. The GO distributions of the DEGs for 4 stages were classified into 3 categories:biological processes (BP), cellular components (CC), molecular functions (MF) with a total of 67 subcategories.KEGG enrichment analysis of DEGs showed that the major enrichment pathways were Spliceosome, Neuroactive ligand-receptor interaction, Cytokine-cytokine receptor interactions, Ubiquitin mediated proteolysis, RNA transport etc. In conclusion, this was the report to investigate the mechanism that the early development of hybrid in vitro-derived yak embryos using high-throughput sequencing. A number of DEGs and pathways were discovered, which provided valuable information to improve in vitro production technique for yak crossbred embryos.
Key words: yak crossbred     in vitro fertilization     embryo     transcriptome     RNA-seq    

牦牛(Bos grunniens)是分布在海拔2 000~5 000 m以青藏高原为中心，及其毗邻高山、亚高山地区的特有牛种。对高寒低氧的独特适应能力决定了它在青藏高原畜牧业中不可替代的地位[1]。但是，相对于普通牛品种而言，牦牛生产生长速度慢，产肉性能和产奶性能都很低。利用普通牛(Bos taurus)优良奶牛品种杂交改良牦牛繁殖的后代(犏牛)产奶性能成倍提高，深受牧民欢迎。但是，牦牛与普通牛种间杂交受胎率低[1-2]，体外受精(In vitro fertilization, IVF)的杂种胚胎发育率也不高[3-4]，其原因还不清楚。因此，研究犏牛胚胎发育调控机制，对提高牦牛种间杂交效率，完善犏牛胚胎体外生产技术具有十分重要的意义。

胚胎发育是众多基因表达在时间和空间上的联系及配合共同作用的结果[5-8]，逐一研究每个候选基因的表达模式与胚胎发育的关系从效率上和可行性上都受到限制。目前，犏牛胚胎发育调控机制方面的研究尚属空白。随着RNA高通量测序技术的发展[9-10]和牦牛基因组测序的完成[11]，为从组学水平研究犏牛胚胎发育的分子机制和保存提供了快速、有效的方法。因此，本研究拟用娟珊牛精子体外受精牦牛卵母细胞，通过体外培养获得杂种胚胎，然后利用微量RNA高通量测序技术分析不同发育阶段的犏牛胚胎转录组，揭示犏牛早期胚胎发育机制, 为提高犏牛胚胎体外生产效率提供理论基础。

1 材料与方法 1.1 犏牛胚胎的生产

在屠宰场采集的牦牛卵巢放入盛有DPBS液(29~33 ℃)的保温瓶中, 2 h内运回到实验室。参照X. Xiao等[4]的方法开展牦牛卵母细胞体外成熟(In vitro maturation, IVM)：将从直径为2~8 mm的卵泡中抽取的卵丘-卵母细胞复合体(COC)放入含10% FCS、5 μg·mL-1 FSH、50 IU·mL-1 LH和1 μg·mL-1 17β-E2的TCM199液中，在38.5 ℃、5%CO2、饱和湿度的CO2培养箱中成熟培养24 h。采用娟珊牛冷冻精液进行体外受精(IVF)。参照石仙等[12]的方法：用Vitrolife(瑞典)体外胚胎生产系列试剂在38.5 ℃、5% CO2、5% O2、90% N2、饱和湿度的三气培养箱中进行精子体外获能、IVF和胚胎的体外培养(In vitro culture, IVC)。在受精48 h的2-细胞、68~72 h的4-细胞、88~96 h的8-细胞，每个阶段收集10枚发育良好的胚胎；受精第6天的桑椹胚和第7天囊胚各收集1枚，提取RNA。

1.2 胚胎总RNA提取、cDNA文库构建及测序

采用RNeasy Micro Kit分别提取胚胎总RNA后，用Smart-Seq2方法[9]进行扩增：加入反应buffer、反转录酶、含公共序列的Oligo-dT引物和TSO引物，反应得到第一条cDNA链；不转管，直接加入含共同序列的ISPCR引物和PCR扩增试剂，反应得到长度1~2 kb的第二条cDNA链。对富集扩增的cDNA采用Agilent 2100 High Sensitivity DNA Assay Kit检测扩增产物cDNA样品片段分布情况。峰图显示在1~2 kb片段长度存在明显的目的产物主峰，表明原始样本完整性较好，可以进行文库构建。每个样本各选取20 ng扩增产物cDNA作为起始样本构建文库。使用Bioruptor® Sonication System(Diagenode Inc.)进行样本cDNA片段化，使之断裂为200 bp左右的小片段。经超声打断后，进行样本cDNA末端修复、加poly(A)并连接测序接头，每步反应后使用Beckman Ampure XP磁珠进行纯化。取接头产物进行PCR扩增，样本分别引入不同的Index标签。最后用2%(w/v)琼脂糖凝胶电泳检测PCR扩增产物后, 切取DNA片段的凝胶块，使用CWBIO Gel Extraction Kit快速琼脂糖凝胶DNA回收试剂盒回收DNA，再溶于EB缓冲液中，获得测序文库。用HiSeqTM2500进行高通量测序。

1.3 转录组数据分析

llumina HisSeqTM2500测序产生的原始图像数据经Base calling转化为序列数据(Raw Reads)，结果以FASTQ文件格式存储，包含Reads的序列以及碱基的测序质量。Raw Reads经公共序列污染及酶切位点、Adapter污染、含N过多(>5%)、低质量(Q≤19)以及比对到rRNA库上的Reads过滤后，获得纯净Reads(Clean Reads)。采用TopHat v2.0.12软件[13]将测序过滤后所得的Clean Reads与牦牛基因组(http://me.lzu.edu.cn/yak)[11]进行比对分析，获得唯一比对上参考基因的Reads(Unique reads)。采用RPKM法(每百万Reads中来自于某基因每千碱基长度的Reads数，Reads per kilobase transcriptome per million mapped Reads)计算基因表达量[14]，参照无生物学重复样品的DEGseq法基因差异表达分析[15]，以|log2Ratio|≥1和Q < 0.05为阈值, 筛选出不同发育阶段间的差异表达基因(Differentially expressed genes, DEGs)。将DEGs与参考基因比较，得出DEGs显著富集的Gene Ontology(GO)功能条目，并进一步挖掘出与DEGs显著相关的生物学功能。然后将DEGs向GO数据库(http://www.geneontology.org/)各个条目进行映射，计算其数目，用Y. Benjamini和Y. Hochberg方法[16]对P-value进行校正后，以Q-value < 0.05为阈值定义DEGs中显著富集的GO条目。通过与京都基因与基因组百科全书(Kyoto encyclopedia of genes and genomes，KEGG)数据库(http://wego.genomics.org.cn)进行比对，对基因涉及的信号通路或代谢途径(Pathway)进行分析。

1.4 差异表达基因荧光定量PCR验证

随机选择与发育相关的SKP1、CD63、ZAR1和H3等4个DEGs，采用Primer5.0软件进行基因的定量引物设计(表 1)，以1.2中反转录获得的2-、4-、8-细胞、桑椹胚和囊胚的cDNA等体积混合，然后倍比稀释，将稀释的样本作为模板，构建其荧光定量标准曲线。qRT-PCR反应体系为10 μL：上下游引物各0.8 μL，Sso AdvancedTM SYBR® Green Super mix 5 μL，ddH2O 2.9 μL，cDNA模板0.5 μL。扩增条件：95 ℃预变性3 min，95 ℃ 10 s、59.5 ℃ 20 s，35个循环。以H2A为内参，采用2-ΔΔCt计算基因的差异倍数。每个样品设3次重复。

表 1 验证RNA-Seq的qRT-PCR基因及其引物 Table 1 Genes and qPCR primers used for RNA-Seq validation
2 结果 2.1 体外受精效果与测序质量分析

通过3个批次的重复试验，IVF/IVC后杂种胚胎的平均卵裂率为78.4%，囊胚率为36.3%，说明采用的IVF/IVC体系效果好，测序结果能代表正常胚胎转录组水平。通过分析碱基的组成和质量值分布可以控制原始数据的质量。本研究中2-、4-、8-细胞、桑椹胚和囊胚5个发育时期的犏牛胚胎RNA样本测序所得原始数据的碱基质量分布和碱基含量分布良好，且Q30＞85%，说明测序质量较好。原始数据经过滤后获得47 791 850(8-细胞)~63 332 216(4-细胞)条Clean Reads。将Clean Reads与牦牛基因组比对，有80.00%(囊胚)~91.13%(2-细胞)的序列可被牦牛基因组注释，比对到基因组多位的Reads比例为3.86%~5.24%(表 2)。

表 2 测序和比对结果概述 Table 2 The results of RNA-seq and mapping to the reference genome
2.2 犏牛胚胎的基因表达的分析

采用RPKM法[14]计算基因表达量的结果表明，犏牛胚胎从2-细胞期发育到囊胚期每个阶段有9 604(桑椹胚)~15 400(4-细胞)个表达基因；共有19 072个基因表达，其中7 785个为共表达基因，11 287个为阶段特异表达基因。4-细胞开始表达的基因数目最多(1 606个)，而桑椹胚开始表达的基因数目最少(148个)。随着胚胎发育的进行，BMP15、GDF9和ZP4等母源基因的表达量降低，而ATP5B、UBEA3和SNURF等胚胎基因的开始表达且表达量不断增加(图 1)。以|log2Ratio|≥1和Q < 0.05为筛选条件筛选不同发育阶段间的DEGs，结果表明, 桑椹胚~囊胚的DEGs最多(10 298个)，而2-~4-细胞胚的DEGs最少(3 690个)(表 3)。

图 1 母源基因(A)和胚胎基因(B)的表达变化趋势 Figure 1 The expression tendency of maternal genes (A) and embryonic genes (B)
表 3 犏牛胚胎在不同发育阶段的基因表达分析统计表 Table 3 Gene expression at the different developmental stages of crossbred embryos of the yak
2.3 差异表达基因的qRT-PCR验证

为了进一步验证转录组分析结果的可靠性，选出4个基因，采用qRT-PCR技术进行表达验证，结果表明，RNA-seq测序结果与qRT-PCR的结果基本一致(图 2)。说明本研究利用RNA-seq技术分析基因的结果是可靠的。

图 2 差异表达基因的qRT-PCR与RNA-seq结果的对比 Figure 2 Comparison of the differentially expressed genes between qRT-PCR and RNA-seq
2.4 差异表达基因的GO分类和显著性富集分析

GO分析显示(图 3)，从2-~4-细胞、4-~8-细胞、8-细胞~桑椹胚及桑椹胚~囊胚4个发育阶段分别有3 461(占93.8%)、5 972(占94.3%)、8 438(占94.1%)和9 749(占94.7%)个DEGs得到归类注释，都涉及生物过程(Biological process，BP)、细胞组分(Cellular component，CC)和分子功能(Molecular function，MF)3大类67个二级条目。在BP分类中有23个二级条目，其中占比例最大的4个二级条目在4个发育阶段相同，从高到低依次为细胞过程(Cellular process)、单有机体过程(Single-organism process)、生物调节(Biological regulation)和代谢过程(Metabolic process)。但是，各发育阶段第5个二级条目开始出现差异。在CC分类中有22个二级条目，二级条目中细胞部分(Cell part)占比例最多，其次为细胞器(Organelle)及细胞器部件(Organelle part)，前10个二级条目的排序在各发育阶段相同，但从第11个二级条目开始排序在不同发育阶段出现差异。在MF分类中有22个二级条目，占比例最大的2个二级条目在4个发育阶段完全相同，依次是绑定分子(Binding)所占比例最多和催化活性(Catalytic activity)，但从第3个二级条目开始排序在不同发育阶段出现差异。

A.2-~4-细胞；B.4-~8-细胞；C.8-细胞~桑椹胚；D.桑椹胚~囊胚 A.2-cell-4-cell; B.4-cell-8-cell; C.8-cell-morula; D.Morula-blastocyst 图 3 犏牛早期胚胎发育过程中的差异表达基因GO分类注释图 Figure 3 Gene Ontology classification of the DEGs of 4 developmental stages of crossbred embryos of the yak
2.5 差异表达基因的代谢路径分析

犏牛胚胎发育过程中差异表达基因KEGG分析表明，2-~4-细胞涉及到300条通路(Pathways)，4-~8-细胞有302条通路，8-细胞~桑椹胚有314条通路，桑椹胚~囊胚有314条通路，各发育阶段的富集前5条通路(Top 5 pathways)如表 4所示，每个阶段的通路种类及富集性都有差异。2-~4-细胞、4-~8-细胞、8-细胞~桑椹胚和桑椹胚~囊胚4个阶段分别有15、0、18和1条通路显著富集(Q < 0.05)。

表 4 牦牛胚胎发育过程中差异表达基因富集前5 (Top 5) KEGG通路 Table 4 Top 5 of enriched KEGG pathways of DEGs during development of crossbred embryos of the yak
3 讨论

本研究利用RNA-seq技术从转录组学的角度揭示了犏牛早期胚胎发育机制, 为完善犏牛胚胎体外生产，提高犏牛胚胎体外生产效率具有重要价值。普通牛从2-细胞~囊胚，每个胚胎的总RNA只有200~2 000 pg[17]。犏牛胚胎应该与此相近，这样微量RNA不能满足转录组测序文库的构建及高通量测序的基本要求，因此，分别提取每个发育阶段的犏牛早期胚胎总RNA后，使用Smart-Seq2扩增技术对样本进行富集并构建测序文库[9]，再应用RNA高通量测序技术对其进行高通量测序分析。通过从扩增产物cDNA样品片段分布、碱基的组成和质量值分布、Q30、饱和量、qRT-PCR验证等全面分析的结果表明，以犏牛胚胎微量RNA作为模板，采用Smart-Seq2扩增技术与RNA-seq技术相结合开展犏牛胚胎转录组高通量测序分析，结果可靠。

犏牛胚胎从2-细胞发育到囊胚每个阶段有9 604(桑椹胚)~15 400(4-细胞胚)个表达基因。与普通牛[18-19]和牦牛的胚胎[20]比较，犏牛桑椹胚的转录本少。这可能是由于犏牛胚胎为种间杂种胚胎，胚胎的遗传信息决定了在这一阶段不可避免地出现“发育阻滞”现象，也有可能是胚胎体外培养条件的不完善引起“体外发育阻滞”[21]。可以通过对体内发育的犏牛胚胎的转录组进一步深入研究，探明原因。如果确认为“体外发育阻滞”，则可以通过优化胚胎培养条件得到改善。犏牛胚胎从2-细胞发育到囊胚共有19 072个基因表达，其中7 785个为共表达基因，11 287个为阶段特异表达基因。4-细胞开始表达的基因数目最多(1 606个)，而桑椹胚开始表达的基因数目最少(148个)，显示胚胎发育是众多基因表达在时间和空间上的联系和配合共同作用的结果，不是单个基因控制的。但是，有些基因在胚胎发育的特异阶段发挥关键的调控作用，例如，NANOG能调控合子基因组的激活, 缺乏NANOG的胚胎合子基因组激活率低，发育受阻[22]。本研究发现，与普通牛[7, 18-19]和牦牛胚胎[20]一样，犏牛胚胎NANOG基因在8-细胞开始表达。CLDN4是Claudin蛋白家族的成员之一，妇女黄体期子宫内膜CLDN4 mRNA的表达量与妊娠相关[23]，囊胚中基因的表达与囊胚的发育与附植相关[24]。推测CLDN4基因在犏牛囊胚中开始表达，可能在囊胚发育和妊娠的建立中发挥重要作用。早期胚胎的发育受到由来自卵母细胞发生及成熟期间合成的大量转录本和蛋白质的调控[7, 18-19, 25]，但随着发育的进行，母源转录本和蛋白质降解，而胚胎基因组激活(Embryonic genome activation, EGA)，发育从母型调控向胚胎型调控的过渡(Maternal-to-embryonic transition, MET)。本研究发现，随着胚胎发育的进行，犏牛胚胎的BMP15、GDF9、ZP4和ZP3等母源基因表达量逐渐减少，而ATP5B、UBEA3和SNURF等胚胎基因的开始表达且表达量不断增加(图 2)，这与在其它物种的研究结果一致[7, 18-19, 26]。

以|log2 Ratio|≥1和Q < 0.05为筛选条件筛选出桑椹胚~囊胚的DEGs最多(10 298个)，而2-~4-细胞胚的DEGs最少(3 690个)(表 3)。GO分析显示，从2-~4-细胞、4-~8-细胞、8-细胞~桑椹胚及桑椹胚~囊胚4个发育阶段分别有3 461、5 972、8 438和9 749个DEGs(占DEGs数目的94%左右)得到归类注释，都涉及生物过程(BP)、细胞组分(CC)和分子功能(MF)3大类67个二级条目(图 3)。在BP分类中，比例最大的4个二级条目在4个发育阶段都相同，但各发育阶段第5个二级条目开始出现差异；在CC分类中前10个二级条目的排序在4个发育阶段都相同，但从第11个二级条目开始在不同发育阶段出现差异；在MF分类中，只有占比例最大的2个二级条目在4个发育阶段都相同，但从第3个二级条目开始排序在不同发育阶段出现差异。说明在犏牛胚胎发育过程中，胚胎细胞组分相对稳定，但细胞内分子过程和分子功能在不断地发生变化。例如，分子功能调节器(Molecular function regulator)具有调节基因产物活性的功能，它从2-~4-细胞和4-~8-细胞位列BF分类中的第5位上调到8-细胞~桑椹胚中的第4位和桑椹胚~囊胚中的第3位。

本研究发现, 犏牛早期胚胎发育过程中DEGs富集的主要通路有剪接体(Spliceosome)、神经活性配体-受体互作(Neuroactive ligand-receptor interaction)、细胞因子及其受体相互作用(Cytokine-cytokine receptor interactions)、泛素介导的蛋白水解(Ubiquitin mediated proteolysis)、RNA转运(RNA transport)、核糖体(Ribosome)等(表 4)，这与在其它动物的发现基本一致[22, 27-28]，说明这些通路在犏牛胚胎发育过程中发挥重要调控作用。

4 结论

本研究首次利用RNA-Seq技术从转录组学揭示犏牛早期胚胎发育机制, 获得了众多差异基因和有关通路的富集，为完善犏牛胚胎体外生产技术提供理论基础。

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犏牛体外受精胚胎的发育转录组分析
字向东, 刘霜, 夏威, 熊显荣, 黄林, 张正帆, 李志雄, 李键, 钟金城, 王利, 朱江江